Zuigers (2) - Materialen

Over het algemeen wordt er niet zoveel nagedacht over de zuigers. Eerlijk gezegd is dat ook niemand te verwijten omdat er in de meeste gevallen ook geen aanleiding voor is.
Alleen wanneer de motor wordt gereviseerd wordt de keuze van de juiste zuiger ineens belangrijk.

Gesmede- en Gegoten Zuigers
Het overgrote deel van alle zuigers wordt gegoten. Meer specifiek is de gebruikte methode "Press Cast". Dit betekent dat het gesmolten aluminium/Silicium onder druk in een mal wordt geperst.
Een gesmede zuiger wordt gemaakt uit een stuk billet aluminium dat onder zeer grote druk/hitte tot een ruwe zuiger wordt geperst. Uiteraard is het een stuk ingewikkelder maar u heeft nu een indruk van de verschillende productie methoden.

Gieten en Smeden geeft twee verschillende soorten zuigers. De mal van een gesmede zuiger moet makkelijk te verwijderen zijn en geeft dus een vrij simpel basisontwerp. Een gegoten zuiger kan daarentegen een meer complexe vorm hebben en lichter van gewicht zijn.

Gebruikte materialen voor gegoten zuigers
Ongeacht de applicatie van de zuiger zijn ze allemaal gemaakt van, in basis, aluminium en Silicium. De hoeveelheid Silicium die gebruikt wordt is van grote mate van invloed op de slijtvastheid van de zuiger. Silicium beïnvloed bovendien de uitzettingscoëfficiënt en de hardheid van het materiaal. Naast deze twee hoofdbestanddelen bevat een zuiger ook Koper, Nikkel, Mangaan en Magnesium die allemaal in meerdere of mindere mate de eigenschappen beinvloeden.

Hypoeutectisch, Hypereutectisch en Eutectisch
Deze termen beschrijven hoofdzakelijk het percentage Silicium dat in het Aluminium is verwerkt. Hypoeutectische zuigers bevatten tot 10% Silicium. Deze legering wordt nog maar zeer zelden gebruikt.
De meest voorkomende legering is Eutectisch. Dit betekent een Silicium bestanddeel van circa 12.5% en is gelijk aan de maximum hoeveelheid die nog door het Aluminium kan worden opgenomen.
Hypereutectische zuigers zijn bijna identiek maar bevatten meer Silicium, tussen 16-18%. Dit houdt in dat er een bepaalde hoveelheid onopgelost silicium "tussen" het aluminium bevindt. Dit type zuigers is zeer vormvast en goed bestand tegen slijtage.
Vanwege de vormvastheid kan volstaan worden met een kleinere zuigerspeling en dus een rustig lopende motor.

De belangrijkste reden om meer Silicium te gebruiken is om:
- de slijtage aan de ringgroeven te verminderen/voorkomen
- Kleinere "ringlands" te gebruiken
...en dus het totale gewicht van de zuiger omlaag te brengen.

Hypereutectische zuigers zijn NIET sterker dan de conventionele Eutectische zuigers. Indien er een sterkere zuiger nodig is die bovendien bestand moet zijn tegen hogere temperaturen dan zal er voor een Eutectische zuiger gekozen worden met een hogere concentratie van Koper en Nikkel.

Gegoten of Gesmede zuigers
Wanneer is het nodig om gegoten zuigers te vervangen door gesmede exemplaren. Het enige echte nadeel van een gegoten zuiger is dat deze sneller kan breken/kapot gaan.
Het grote voordeel van gesmede zuigers is dat ze beter bestand zijn tegen detonatie (langer heel blijven). In motoren met een hoog vermogen kan een gesmede zuiger meer betrouwbaarheid geven. Een vuistregel is dat bij een vermogen van meer dan 80pk per liter motorinhoud het aan te raden is om over te stappen naar gesmede zuigers.

Supercharger en Turbocharger

"Het heeft geen zin om een gezogen motor te bouwen als "meer vermogen" het enige doel is."

Om dit goed te begrijpen is het belangrijk te weten dat een verbrandingsmotor onderverdeeld kan worden in vier hoofdgroepen:
- Het inlaat systeem
- De Cilinderkoppen
- Het Uitlaat systeem
- De Nokkenas(sen)

Zoals uit bovenstaande onderverdeling blijkt dat het vermogen afhankelijk is van de mate waarin de motor efficiënt lucht kan pompen. Dit kan het beste bereikt worden door drukverschillen (te creëren). Bij een gezogen motor, waarbij de druk aan zowel de inlaat- als uitlaatzijde 1 bar is, wordt dit drukverschil veroorzaakt door de timing van de nokkenas(sen).

Gezogen Motoren (Naturally Aspirated)
Dit type motor moet het hebben van drukvariaties tussen 0-1 bar (14.7psi). Als aan beide zijden van het systeem (inlaat en uitlaat) de druk gelijk is dan zal er geen natuurlijke stroming van lucht door de motor zijn. Deze flow zal moeten worden opgewekt door nokastiming en krukasrotatie.

Geblazen motoren (Forced Induction)
Als we de motor slechts bezien vanuit het oogpunt van Efficiency is het volkomen logisch om de druk aan de inlaatzijde te verhogen dan om een gezogen motor te bouwen.
De verhoogde druk zorgt er voor dat het brandstofmengsel door de motor WIL stromen. De timing van de nokkenas(sen) is dan veel minder belangrijk om een goede vullingsgraad te bereiken.
Na een zeer efficiente verbrandingsslag zullen de uitlaatgassen, als gevolg van een groot drukverschil aan zowel in- als uitlaatzijden, de motor ook direct via het uitlaatsysteem weer verlaten.
Turbo's ZIJN Superchargers. Elk apparaat dat de druk aan de inlaatzijde verhoogt IS een Supercharger. Het enige verschil tussen de twee is de manier waarop ze worden aangedreven. Hierbij dient opgemerkt te worden dat een Turbo ook een (beperkte) invloed heeft op de uitlaatzijde.

Het VOORDEEL van Superchargers
Een Supercharger wordt normaliter aangedreven door de krukas en beïnvloed alleen de druk aan de inlaatzijde.
Gezogen motoren maken gebruik van veel overlap om het systeem goed te laten functioneren bij hogere toerentallen. Het is zelfs zo dat in sommige gevallen de lucht terugstroomt de inlaatzijde in (pulsatie). Hierom is het belangrijk om de nokkenaskeuze aan te passen op het toerental waarin het meeste vermogen geleverd moet worden.
het voordeel van een Supercharger is dat de nokkenastiming volstrekt onbelangrijk is voor de vullingsgraad en nooit last heeft van pulsaties in het inlaatsysteem.

Het NADEEL van Superchargers
Het grote nadeel is dat een gedeelte van het gegenereerde vermogen weer terug moet naar de Supercharger. Gemiddeld is er een toename van vermogen, maar tegen een prijs...


Het VOORDEEL van Turbo's
Het voordeel van een Turbo is precies hetzelfde als het voordeel van een Supercharger met het grote verschil dat een Turbo voor zijn aandrijving gebruik maakt van grotendeels "ongebruikt" vermogen.
Een Turbo het nadeel van een Supercharger op, MAAR, zoals je hieronder zult lezen, heft een Supercharger heft alle nadelen van een Turbo op....

Het NADEEL van Turbo's
Het moge duidelijk zijn dat elke supercharger te prefereren is boven een gezogen systeem.
Een Turbo is een ingenieus systeem dat gebruik maakt van de ongebruikte kinetische energie van de uitlaatgassen om de druk aan de inlaatzijde te verhogen. Dit is goed om dezelfde reden dat een Supercharger dit doet. Een Turbo heeft echter een groot nadeel: Het verhoogt OOK de druk in het uitlaatsysteem waardoor de uitlaatgassen minder makkelijk de motor kunnen verlaten. Dit verkleint het drukverschillen tussen inlaat- en uitlaatzijde waardoor de nokkenastiming weer extreem belangrijk wordt.

Bearings (1) - Basisbegrippen

Voor dat we ingaan op de technische aspecten van een lager is het eerst belangrijk te weten waaruit een lager bestaat (en hoe ze worden genoemd):

- Oil Hole (voor de aan- en afvoer van olie)
- Flange Thickness (de dikte van het axiaallager)
- Undercut (de vrijloopradius in de hoek van het lager)
- Parting Line (de hoogte van het lager over de deling gemeten)
- Thrust Face Relief (de vrijloop van het axiaallager over de deling)
- Thrust Face (het gedeelte van het axiaallager dat in contact met de krukas staat)
- Flange Diameter (de buitendiameter van het axiaallager)
- Outside Diameter (de buitendiameter van het lager)
- Inside Diameter (de binnendiameter van het lager)
- Oil Spreader Groove (de wigvormige uitloop van het lager)
- Locating Lug (de nok die het lager fixeert in de housing)
- Oil Groove (de oliegroef in het midden van het lager, halfgrooved, fullgrooved)
- Oil Pocket (het oliereservoir rond het oliegaatje)
- Thrust Face Groove (olievrijloop-groef op de axiaal flens)
- Crown Area (het lager oppervlak)

Het gebruik van losse lagers maakt het mogelijk om krukassen, indien beschadigd, te slijpen naar een volgende ondermaat.

Het zou voor de motorbouwers ideaal zijn als voor alle applicaties dezelfde lagers gebruikt ouden kunnen worden. Helaas is dit door verschillende oorzaken niet mogelijk. Te denken valt hierbij aan Motorvermogen en Motorinhoud die elk weer andere eisen stellen aan een lager.
De lagers verschillen niet alleen in maatvoering maar ook in het gebruikte lager materiaal. Beiden zijn afgestemd op hun specifieke gebruik.

Om nu een weloverwogen keuze te kunnen maken worden lagers onderverdeeld in diverse hofd- en subcategorien:

MATERIAAL EIGENSCHAPPEN
- Surface Action. (Hiermee wordt het materiaal van het lager en het materiaal van de krukas op elkaar afgestemd. Binnen deze categorie zijn er nog 3 sub-categorien:
- Slipperyness (het vermogen om de wrijving tot een minimum te beperken zonder slijtage te geven)
- Embedability (het vermogen om verontreiniging binnen het lager materiaal te absorberen en te neutraliseren)
- Comformability (het vermogen van het lager om zich aan te passen aan de mechanische omstandigheden zoals: imperfecties van de housing-bore en geometrie van de toepassing)

BELASTBAARHEID
- Fatigue Strength (het vermogen van het lager om scheuren en afbrokkelen te weerstaan tijdens de cyclische belasting)
- Corrosion Resistance (het vermogen om chemische corrosie, zoals zuren en andere bijproducten van de verbranding, te weerstaan. Zuren kunnen het lagermateriaal ernstig verzwakken)

THERMISCHE EIGENSCHAPPEN
- Temparature Resistance (het vermogen om de ideale materiaal eigenschappen te bewaren tijdens wisselende omstandigheden en temperaturen)
- Thermische Conducivity (het vermogen om snel wrijvingswarmte af te voeren)

Het principe berust op het gegeven dat verschillende materialen minder invloed op elkaar uitoefenen dan gelijke materialen.
In het begin werd er een legering van Lood, Tin, Antimonium en Arseen gebruikt die "Babbit" werd genoemd (naar de uitvinder). Het is een zacht materiaal dat zich gemakkelijk aanpast aan de geometrie en eventuele imperfecties.